浅谈矿井巷道围岩变形监测仪器的设计与应用

布乃政 王耀

【摘 要】针对复杂地质条件下巷道稳定性难以确定的问题，分析认为复杂地质条件下巷道稳定性受到多种因素的影响。为了准确地把握巷道的稳定性，有必要对巷道周围岩石的变形进行监测。通过实验设计了一种基于摄影测量的矿井巷道围岩变形监测仪器。我国目前有几十个矿井，深度超过1000米。随着深部采矿工程的发展，煤矿事故频发，破坏性大，与煤矿有关的其他灾害也时有发生。为了减少煤矿灾害造成的损失，特别重要的是加强对巷道变形的监测。目前，获得巷道周围岩石变形的主要方法主要包括用测带、点位移仪等进行人工测量。然而，这些方法不仅需要大量的人力、物质和财政资源。资源，但精度不高。因此，矿山巷道周围岩石变形监测装置的设计起着至关重要的作用。设计和开发的监控仪器由两部分组成：客户可以将测量部分用于测量，测量部分可以放置在底座上，固定在矿车或任何其他平面上。整体设计包括硬件部分和软件部分的设计：硬件部分为监控仪器和安装在其上的高精度摄像机，目的是完成图像采集;软件部分为巷道围岩变形检测系统的设计，流程为①图片信息采集、②灰度化及图像增强等预处理、③二值图像形态学处理去噪、④标记缺陷区域及提取缺陷特征参数、⑤参数输入分类器评估，目的是求出变形的面积、长度、最大宽度、最小宽度及形状等信息等，并将该缺陷进行分类。

【关键词】矿井巷道;围岩变形;监测仪器

一、研制背景及意义

在很长一段时间内，各种类型巷道周围岩石的变形和不稳定，如深而软的岩石和较大的断面，严重影响了煤矿和其他地下作业的安全生产和经济效益。由于巷道周围岩石不稳定而造成的屋顶坠落等事故是煤矿事故的主要受害者之一。巷道周围岩石变形监测是预测和预测巷道周围岩石失稳和断裂、支持方法和评价参数有效性的重要手段。目前，矿井巷道周围岩石变形的测量方法仍主要是人工测量方法，如交叉测量法。测量精度低，人力消耗大，无法实时获得巷道周围地下岩石的变形。基于摄影测量的矿井巷道周围岩石变形监测仪器可以实现矿井周围岩石的实时变形，测量精度高，劳动成本低。

二、设计方案

矿井巷道围岩变形监测系统总体流程为：

2.1.1硬件配置

（1）STM32F103--32位ARM微控制器

采用STM32F103微控制器，前后经历了V1.0，V1.1，V1.2，V1.3四个飞控版本的更新验证，IMU惯导采用MPU6050+HMC5883+MS5611传感器，采用串级PID控制，经过下井实验表明有足够的鲁棒性和控制精度确保在矿井的恶劣环境下稳定运行。

（2）减震球以及云台

减震球搭配云台解决了在装置搭载在矿车中相机需要面临的各种复杂的环境，能够拍摄出图像的真实信息。

运用高性能阻尼材料制作的减震球，其阻尼系数达到1.0-1.1，同时减震性比传统的橡胶和硅胶材料减震球更强，保证云台平稳工作，拍摄画面更清晰。

2.1.2检测装置服务端设计

服务器的主要功能是驱动摄像机拍摄周围岩石表面的变形，建立网络套接字等待矿井上的客户端进行连接，地面客户端连接之后，处理后的数据将通过网络发送给客户端。已经开发出能够稳定运行的服务器程序在这里使用，这是非常实用和稳定的。

2.2软件设计

为检测巷道围岩变形，软件设计以检测是否存在变形及确定变形参数信息为主。利用数字图像处理技术中的数字图像增强、自适应阈值图像分割及形态学图像处理，使用Matlab软件编写表面位移及岩层移动、提取及计算程序，确定变形的面积信息、长度信息、最大宽度信息、最小宽度信息及形状信息。将变形进行分类以确定变形的危害性大小，以此实现巷道围岩变形的检测工作。

（1）图像增强：图像增强的目的是为了提高人眼视觉感受野辨识图像的清晰度，有目的地将图像中感兴趣的部分从背景图中突出或使得原图像变得更加清晰。

（2）图像分割：图像分割是将数字图像按照一定的准则将感兴趣的部分或是目标部分从增强的图像中分离出来。

（3）形态学图像处理：经过上述步骤对图像进行阈值分割后，二值图像中仍然不可避免存在着杂点，这些杂点较划痕离散分布且占有较小，影响后期围岩变形评估，同时划痕处可能还存在边缘毛刺、内部空洞情况主要通过形态学中腐蚀和膨胀等运算来解决。

（4）特征提取：原始图像经过上述步骤处理后，二值图像中目标区域便从图像中分割分离出来，此时便可提取目标区域的面积、周长、长度、宽度及长短径之比等特征参数。

（5）目标识别与检测：将特征提取得到的目标区域特征参数按照相应的模式识别分类，并给出最终目标区域的分类识别结果。一般而言，特征提取与目标识别与检测是同时进行的，提取到的目标特征与识别结果便可用于最终目标物的定性和定量描述。将特征提取得到的目标区域特征参数按照相应的模式识别分类，并给出最终目标区域的分类识别结果。

针对巷道围岩变形缺陷，图像的按序处理流程为：原始图像→图像灰度化→空间滤波→图像增强→图像分割→形态学重建→缺陷特征提取→缺陷特征计算→结果输出。

三、理论设计计算及工作原理及性能分析

理论设计计算包含线性灰度变换、平滑去噪、形态学图像处理。煤矿井下巷道狭小，黑暗，数字摄影机拍摄的目标图像一般均是比较昏暗，若采用原始的图像直接进行图像内测量标志点坐标的提取较为困难，因此需要进行预先的处理，以增加拍摄的图像清晰度及标志点的精确坐标。

四、创新点及应用

4.1 创新点

（1）该监测设备上装载有温度传感器，其与所述控制器相连，用以监测所述巷道内的温度信息;包括湿度传感器，其与所述控制器电连接，用以监测所述巷道内的湿度信息;装载瓦斯浓度传感器，其与所述控制器电连接，用以监测所述巷道内的瓦斯浓度信息;还包括无线充电模块，其与所述控制器电连接，用于对所述电池模组进行无线充电。

（2）利用分段线性灰度增强技术，提高图像清晰度并突出图像中感兴趣的目标。

（3）提出形态学图像处理与自适应阈值的图像分割相结合的技术，通过阈值分割的办法获取巷道围岩变形、位移偏量，从而有效获取巷道围岩中的各种标志缺陷。

（4）该设备可以推广到检测高层住宅的裂缝和变形问题。检测装置应用领域十分广阔，可以在不同天氣不同季节进行全天候的工作。同时，高层住宅的高处裂缝很难被检测到，然而裂缝和变形不及时进行控制容易威胁到人的生命安全，可以利用该设备进行及时精确检测。

（5）装置核心部分为摄像头部分，其应用 Sirovision 系统建立岩体表面三维模型，仪器方便快捷易操作，极大地提高监测工作效率;仪器外部设有防爆壳，适用于井下危险的操作环境。由此可见，本装置因其具有成本低、检测精度高、方便使用等的优势，可创造出巨大的经济效益。

五、结论

综上所述。根据我国煤矿监测和监测设备的发展水平，对岩石变形进行检测。并且进行数据及可视化分析，以便进行监测和预警、围岩的稳定性。该技术在测量过程中对被测量目标并不会产生不良影响，改善了原来技术的不足。同时测量速度快、使用简单，不需要消耗大量的人力和物力资源，能够准确地探测到矿井中人力难以到达的地方。同时，它可以根据未来的探测数据预测未来岩石周围矿山的变形趋势，这确实保证了煤炭开采的安全、稳定。

参考文献：

[1]王文凯.数字摄影测量技术在煤矿巷道围岩变量观测中的应用分析[J].当代化工研究，2019（06）：105-106.

[2]曹凯.采空侧压影响下巷道围岩变形规律研究[J].煤矿现代化，2019（01）：67-70.

[3]张景威. 巷道围岩相似模拟近景摄影测量计算机视觉方法关键技术研究[D].西安科技大学，2018.

（作者单位：山东科技大学泰安校区）